Desain Struktural dan Aplikasi Reaktor yang Dapat Diatur untuk Jaringan Listrik Cerdas

Reaktor merupakan komponen kunci untuk kompensasi daya reaktif dalam sistem tenaga listrik, dengan reaktor yang dikendalikan secara magnetik menjadi fokus penelitian. Jaringan pintar, yang memperbarui jaringan tradisional melalui teknologi canggih, meningkatkan keamanan dan keandalan, sehingga meningkatkan permintaan akan reaktor yang dapat dikontrol. Oleh karena itu, pengembangan tipe baru sangat penting. Makalah ini, dengan menggabungkan praktik, menjelajahi desain struktural dan penerapan mereka untuk mendorong inovasi dan meningkatkan pembangunan jaringan pintar.

1 Fungsi dan Status Penerapan Reaktor yang Dapat Dikontrol
1.1 Fungsi

Untuk jaringan, reaktor yang dapat dikontrol mengurangi kerugian jaringan, meningkatkan faktor daya di atas 0,9, mengurangi osilasi, memperluas batas redaman, meningkatkan kapasitas transmisi, dan meningkatkan stabilitas tegangan. Untuk pengguna, mereka: ① Stabilisasi tegangan, melindungi peralatan seperti transformator, dan memperpanjang umur layanan. ② Menghilangkan harmonisa, mengurangi kerugian, dan meningkatkan keamanan. ③ Mengurangi kedipan tegangan, meningkatkan kualitas daya. ④ Mengurangi kerugian reaktif bagi pengguna berkebutuhan tinggi, mengurangi biaya listrik. ⑤ Memungkinkan ekspansi kapasitas dengan biaya rendah melalui kompensasi dinamis.

1.2 Status Penerapan

Reaktor yang dapat dikontrol diterapkan secara luas dalam sistem tenaga listrik, seperti di utilitas listrik, utilitas industri, pembangkit listrik energi baru, dan bidang lainnya. Dengan peningkatan permintaan tenaga dan peningkatan jaringan transmisi dan distribusi, permintaan pasar untuk reaktor yang dapat dikontrol juga meningkat.

Reaktor terbagi menjadi tiga jenis: kontrol magnet, pelemparan sakelar, dan kontrol sakelar elektronik. Reaktor kontrol magnet menawarkan penyesuaian kontinu, kapasitas besar, dan biaya rendah tetapi memiliki respons lambat, getaran kerugian tinggi, dan harmonisa. Jenis pelemparan sakelar menghindari getaran/harmonisa tetapi menyesuaikan secara diskontinu, membatasi penggunaannya. Jenis sakelar elektronik memungkinkan penyesuaian kontinu dengan respons cepat tetapi menderita dari harmonisa dan biaya tinggi. Reaktor kontrol magnet lebih disukai. Untuk sesuai dengan jaringan pintar, diperlukan peningkatan material/struktur dan desain baru.

2 Desain Struktural Reaktor yang Dapat Dikontrol dalam Jaringan Pintar

Jaringan pintar, atau Grid 2.0, dibangun berdasarkan jaringan komunikasi dua arah. Ini menggunakan peralatan, teknologi, dan metode baru untuk meningkatkan keamanan, efisiensi, ramah lingkungan, dan ekonomi jaringan, lebih baik memenuhi kebutuhan kualitas daya pengguna. Reaktor yang dapat dikontrol adalah kunci dalam pembangunan jaringan pintar. Berikut adalah desain struktural mereka berdasarkan bahan magnet nanokomposit.

2.1 Pemilihan Bahan Magnet

Bahan magnet nanokomposit terdiri dari fase magnet keras dan lunak nanokristalin. Butirannya saling berinteraksi, menghasilkan efek pertukaran terkopling di bawah arus. Mikroskopis, pada antarmuka fase, momen magnet merotasikan medan selama interaksi, meningkatkan remanen. Dalam reaktor yang dapat dikontrol: DC yang diterapkan pada gulungan menciptakan medan eksitasi, memagnetisasi bahan; AC membentuk medan yang meredam, mendemagnetisasinya.

Dipersiapkan melalui pendinginan cepat leburan, bahan tersebut mengalami tempering untuk menyesuaikan mikrostrukturnya. Ini memperbesar butiran dan mengurangi koersivitas, memenuhi kebutuhan penyesuaian.

2.2 Desain Struktural Keseluruhan

Struktur reaktor yang dapat dikontrol terdiri dari batang penghubung, inti besi, klamp, gulungan kerja, gulungan kendali, dan bahan magnet nanokomposit. Kolom eksitasi, terbuat dari bahan magnet dan lembaran silikon, berada di pusat. Gulungan kerja berada di sisinya, dengan lapisan terluar sebagai sirkuit magnet utama. Gulungan kendali melilit bahan magnet.

Prinsip: Selama operasi jaringan normal (tidak memerlukan penghambatan harmonisa/regulasi reaktif), reaktor mendeteksi tegangan, arus, dan daya reaktif. Data ini dikirim ke sistem kendali untuk evaluasi status jaringan. Untuk penghambatan harmonisa atau regulasi reaktif, sistem kendali menyesuaikan arus gulungan. Bahan magnet mengubah reaktansi melalui magnetisasi. Setelah parameter memenuhi spesifikasi desain, arus gulungan disesuaikan kembali untuk mendemagnetisasi bahan kembali ke nol remanen.

Menurut rangkaian desain, mengabaikan fluks bocor sisi primer dan sekunder, kita mendapatkan:

Di mana: E₁ mewakili gaya elektromotif yang diinduksi oleh W₁; E₂ mewakili gaya elektromotif yang diinduksi oleh W₂; E₃ mewakili gaya elektromotif yang diinduksi oleh W₃. Lebih lanjut, dengan menggunakan rangkaian T-untuk menyamakan jaringan dua port reaktor yang dapat dikontrol, kita dapat memperoleh:

Misalkan I_k = β I_g, dan nilai induktansi port kerja adalah:

Koefisien kendali reaktansi adalah α, dan I_k = αI_g. Hubungan antara reaktansi port kerja dan α adalah:

Dengan menghubungkan port kerja paralel dengan jaringan listrik dan menganggap U₁ sebagai konstan, sistem persamaan berikut dapat diperoleh:

Di mana: I_g dan I_k menunjukkan nilai efektif arus pada dua port; U_k mewakili nilai efektif tegangan pada port kendali. Menyelesaikan sistem persamaan dalam Formula (5) memungkinkan kita untuk mendapatkan indikator kinerja operasional reaktor yang dapat dikontrol.

2.3 Desain Sistem Kendali

Sistem kendali terdiri dari rangkaian utama (menyesuaikan remanen bahan magnet) dan subsistem deteksi-kendali (memantau parameter listrik), bekerja bersama untuk mencapai tujuan manajemen. Ketika operasi jaringan memerlukan penyesuaian reaktansi, rangkaian utama menerapkan arus untuk memagnetisasi/demagnetisasi bahan, sementara subsistem memantau beban untuk menjaga parameter optimal, memastikan stabilitas jaringan. Perubahan reaktansi berasal dari pergeseran keadaan magnet inti. Rektifikasi yang dapat dikontrol memungkinkan output AC dalam milidetik, memenuhi kebutuhan konversi keadaan magnet yang cepat. Sistem mengeluarkan perintah untuk reaktor untuk menekan harmonisa dan mengatur daya reaktif, mempertahankan stabilitas jaringan.

Proses operasi: 1) Deteksi status jaringan, kumpulkan parameter, dan评估电网稳定性。2）当电压波动或谐波发生时，电抗器的控制系统发出指令。3）主电路输出可调电感；材料磁化，改变剩磁/铁芯状态，从而改变电抗器的电感。4）调整后，反向调整电感以去磁材料并重置电抗器。Matlab仿真验证了系统的准确性：15A励磁电流和220V去磁电压具有稳定的波形，满足磁化/去磁要求。 **3 可控电抗器电抗调节效果的实验分析** 为了验证电抗器的电抗调节性能，根据设计和仿真建立了原型和支持控制系统。实验分析了电感分布特性，并评估了电网电能质量的变化。 **3.1 可控电抗器的稳定性** 在实验中，收集数据绘制可控电抗器的伏安特性曲线和工作电流曲线。结果表明：① 随着电压值的增加，工作绕组的电流上升，两者呈线性关系，表明在不同的励磁电压下，电感值保持在一个相对恒定的范围内。② 当励磁电压为0-35V时，电感从0.74H降至0.61H，电感输出稳定，满足平滑调节的要求。电感随励磁电压的变化如表2所示。  在这项研究中，通过磁性材料的磁化和去磁来实现可控电抗器电感值的变化，这又取决于通入控制绕组的交流和直流。这种操作也会给工作绕组带来干扰。因此，有必要进一步分析其工作暂态过程。为此，使用混合域示波器收集磁化和去磁过程中磁性材料的电流波形。结果表明，电抗器响应迅速，在磁化完成后电流波形处于稳定状态。 **3.2 电感值测量结果** 在实际运行中，施加不同励磁电压时获得的电感值如表3所示。分析表明：① 电抗器的电感值随磁性材料剩磁的变化大致呈线性变化。这意味着即使直流电压有微小变化，也能有效调节电抗器的电感值。② 通过精确调节磁性材料的磁状态，可控电抗器可以灵活地改变其电感值，从而实现对电力线路无功功率的有效补偿。  **3.3 电网电能质量的变化** 在电力系统中，记录了使用可控电抗器前后变压器高压侧的电流和电压变化，并观察了谐波特性。结果如表4所示。分析表明：① 在使用可控电抗器之前，高压侧的电流和电压变化复杂，波形没有规律特征；使用可控电抗器后，高压侧的电流和电压波形得到改善，具有明显的规律特征。② 使用可控电抗器后，谐波含量减少，有功功率增加，电能质量显著提高。  **4 结论** 总之，电抗器在电力系统中起着关键作用，稳定电压、抑制谐波、阻尼振荡和提高功率因数。在现有的类型中，磁控电抗器因其连续可调的电抗、大容量和低成本而在电力系统中广泛使用。为了解决磁控电抗器响应慢和高损耗振动等问题，本研究设计了一种使用纳米复合磁性材料的可控电抗器。 实验结论：① 电抗器响应迅速，磁化后电流波形稳定。② 即使是微小的直流电压变化也能有效调节电感。通过精确调节材料的磁状态，电抗器可以灵活地改变电感以补偿电力线路中的无功功率。③ 应用后，高压侧电流/电压波形和电能质量显著改善，适合智能电网推广。未来，随着新材料、新技术和新工艺的发展，可控电抗器将进一步优化，更好地满足智能电网的需求，确保电网稳定运行。 请注意，上述内容包含了一些中文部分，这些部分需要翻译成印尼语。以下是完整的翻译：

Proses operasi: 1) Deteksi status jaringan, kumpulkan parameter, dan lakukan penilaian stabilitas. 2) Saat fluktuasi tegangan atau harmonisa terjadi, sistem kendali reaktor mengeluarkan perintah. 3) Rangkaian utama menghasilkan induktansi yang dapat disesuaikan; bahan magnet dipagnetisasi, mengubah remanen/inti, dan akhirnya mengubah induktansi reaktor. 4) Setelah penyesuaian, induktansi dibalik untuk mendemagnetisasi bahan dan mereset reaktor. Simulasi Matlab memverifikasi keakuratan sistem: 15 A arus magnetisasi dan 220 V tegangan demagnetisasi dengan bentuk gelombang stabil, memenuhi kebutuhan magnetisasi/demagnetisasi.

3 Analisis Eksperimental Efek Penyesuaian Reaktansi

Untuk memverifikasi kinerja penyesuaian reaktansi reaktor, prototipe dan sistem kendali pendukung dibangun berdasarkan desain dan simulasi. Eksperimen menganalisis karakteristik distribusi induktansi dan mengevaluasi perubahan kualitas daya jaringan.

3.1 Stabilitas Reaktor yang Dapat Dikontrol

Dalam eksperimen, data dikumpulkan untuk menggambar kurva karakteristik volt-ampere dan kurva arus operasional reaktor yang dapat dikontrol. Hasil menunjukkan bahwa: ① Seiring peningkatan nilai tegangan, arus gulungan kerja meningkat, dan keduanya menunjukkan hubungan linier, menunjukkan bahwa di bawah berbagai tegangan magnetisasi, nilai induktansi tetap dalam rentang yang relatif konstan. ② Saat tegangan magnetisasi 0-35 V, induktansi turun dari 0,74 H hingga 0,61 H, dan output induktansi stabil, memenuhi persyaratan penyesuaian mulus. Perubahan induktansi dengan tegangan magnetisasi ditunjukkan dalam Tabel 2.

Dalam penelitian ini, perubahan nilai induktansi reaktor yang dapat dikontrol dicapai melalui magnetisasi dan demagnetisasi bahan magnet, yang pada gilirannya bergantung pada arus bolak-balik dan arus searah yang dialirkan ke gulungan kendali. Operasi ini juga akan membawa gangguan ke gulungan kerja. Oleh karena itu, diperlukan analisis lebih lanjut tentang proses transien kerjanya. Untuk tujuan ini, osiloskop domain campuran digunakan untuk mengumpulkan bentuk gelombang arus bahan magnet selama magnetisasi dan demagnetisasi. Hasil menunjukkan bahwa reaktor merespons dengan cepat, dan bentuk gelombang arus berada dalam keadaan stabil setelah magnetisasi selesai.

3.2 Hasil Pengukuran Nilai Induktansi

Selama operasi aktual reaktor yang dapat dikontrol, nilai induktansi yang diperoleh dengan menerapkan tegangan magnetisasi yang berbeda ditunjukkan dalam Tabel 3. Analisis menunjukkan bahwa: ① Nilai induktansi reaktor berubah secara linier dengan variasi remanen bahan magnet. Ini berarti bahwa bahkan perubahan kecil pada tegangan searah dapat secara efektif menyesuaikan nilai induktansi reaktor. ② Dengan mengatur secara tepat keadaan magnet bahan magnet, reaktor yang dapat dikontrol dapat fleksibel mengubah nilai induktansinya, sehingga mencapai kompensasi daya reaktif yang efektif dalam garis daya.

3.3 Perubahan Kualitas Daya Jaringan Listrik

Dalam sistem tenaga listrik, perubahan arus dan tegangan di sisi tekanan tinggi transformator sebelum dan setelah menggunakan reaktor yang dapat dikontrol dicatat, dan karakteristik harmonisa diamati. Hasil ditunjukkan dalam Tabel 4. Analisis menunjukkan bahwa: ① Sebelum menggunakan reaktor yang dapat dikontrol, perubahan arus dan tegangan di sisi tekanan tinggi rumit, dan bentuk gelombang mereka tidak memiliki fitur reguler; setelah menggunakan reaktor yang dapat dikontrol, bentuk gelombang arus dan tegangan di sisi tekanan tinggi ditingkatkan dan memiliki fitur reguler yang jelas. ② Setelah menggunakan reaktor yang dapat dikontrol, kandungan harmonisa berkurang, daya aktif meningkat, dan kualitas daya secara signifikan ditingkatkan.

4 Kesimpulan

Secara keseluruhan, reaktor memainkan peran penting dalam sistem tenaga listrik, menstabilkan tegangan, menekan harmonisa, meredam osilasi, dan meningkatkan faktor daya. Di antara jenis yang ada, reaktor yang dikendalikan secara magnet, dengan penyesuaian reaktansi yang berkelanjutan, kapasitas besar, dan biaya rendah, banyak digunakan dalam sistem tenaga listrik. Untuk mengatasi masalah seperti respons lambat dan getaran kerugian tinggi dari reaktor yang dikendalikan secara magnet, penelitian ini merancang reaktor yang dapat dikontrol menggunakan bahan magnet nanokomposit.

Kesimpulan eksperimental: ① Reaktor merespons dengan cepat, dengan bentuk gelombang arus yang stabil setelah magnetisasi. ② Bahkan perubahan kecil pada tegangan searah dapat secara efektif menyesuaikan induktansi. Dengan mengatur secara tepat keadaan magnet bahan, reaktor dapat fleksibel mengubah induktansi untuk mengkompensasi daya reaktif dalam garis daya. ③ Setelah diterapkan, bentuk gelombang arus/tegangan di sisi tekanan tinggi dan kualitas daya meningkat secara signifikan, cocok untuk promosi jaringan pintar. Di masa depan, dengan bahan, teknologi, dan proses baru, reaktor yang dapat dikontrol akan dioptimalkan untuk lebih memenuhi kebutuhan jaringan pintar dan memastikan operasi jaringan yang stabil.